小护士青铜上分系列之《Java源码阅读》第三篇Thread
小护士青铜上分系列之《Java源码阅读》第三篇Thread
Hi，今天小护士要准备讲讲Thread这个核心类了，它在lang包下面，是Java并发编程的基石，重要程度远远大于花哨的LockSupport、ReentrantReadWriteLock等等。这个类有大量的native方法，小护士也会带着大家越过JNI，并走到thread.hpp文件看个究竟。
Thread只是JVM线程的冰山一角，在JVM内核代码中，还有其他专职的线程，例如GC线程。在面试中，如果题目稍微深一点的话，面试官都会要求候选人（来面试的人）大概讲讲线程的初始化过程，以此考察他是否真的了解过那块知识，同时从侧面考察他是否了解JVM与操作系统之间的交互细节。
1. Thread init()
Thread实现了Runnable接口，它有很多奇怪的字段，但只有一部分是在初始化的时候用到。new Thread()调用了init()方法。
小护士有个坏习惯，如果看到大段代码，眼镜会感到不适，所以忽略init()方法细节，来个简化版的大概讲讲：
private volatile char name[]; // 指定线程名称
private int priority; // 默认继承当前线程
private boolean daemon = false; // 默认不是守护线程
private boolean stillborn = false; // 默认JVM状态
private Runnable target; // new Thread(()->{})用到
private ThreadGroup group; // 默认取SecurityManager的，若为空则继承当前线程的
private ClassLoader contextClassLoader; // 默认继承当前线程
private long tid; // 全局自增的，但不是操作系统线程号
private long stackSize; // 线程执行所需的栈空间大小，默认为0这里小护士有意地忽略一些小众字段，因为不是重点啊。重点是Thread的那些native方法。其实，这里只需要记住几点就好了，线程ID是自增的，名称是可以指定的，也可以用默认生成的，优先级默认继承当前线程的，线程默认不是守护线程，Runnable target默认为空，栈空间大小默认为零。
2. Thread start()
public synchronized void start() {
...
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
...
boolean started = false;
try {
start0();
started = true;
} finally {
...
}
}经常有道面试题会问，一个线程对象调用了两次start()会怎么办？那当然是会抛出IllegalThreadStateException异常。但是，这不是重点，重点是start0()干了什么。
3. Thread start0()
小护士又要开始跟踪底层代码了，嘿嘿。
1. https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
先从常规的native包下找libjava/Thread.c，找到下面的代码细节：
...
static JNINativeMethod methods[] = {
{"start0", "()V", (void *)&JVM_StartThread},
...
};
... 2. https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/hotspot/share/prims/jvm.cpp
然后来到这个官方JNI核心文件，jvm.cpp。里面有很多JDK的native方法具体实现。现在，只需找到JVM_StartThread方法定义即可。
JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_StartThread");
JavaThread *native_thread = NULL;
... ignore if-else block
{
jlong size =
java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
NOT_LP64(if (size > SIZE_MAX) size = SIZE_MAX;)
size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
if (native_thread->osthread() != NULL) {
// Note: the current thread is not being used within "prepare".
native_thread->prepare(jthread);
}
}
...
Thread::start(native_thread);
JVM_END这里面有两行代码比较关键。
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);Thread::start(native_thread);
需要注意的是，JavaThread在初始化的时候就要确定栈空间大小。而栈空间的具体定义在thread.hpp有提及到。下面先看JavaThread构造函数。
3. https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/hotspot/share/runtime/thread.hpp
按照惯例，先看头文件声明内容，发现了线程分类的秘密。Java线程除了在Java代码自己new Thread()的线程属于JavaThread类型以外，还有其他几种Thread。这些Thread都将会在小护士不久将来的《JVM源码阅读》中讲解到，现在是《Java8源码阅读》，主要内容还是围绕Java代码本身。
- Class hierarchy
- Thread
- NamedThread
- VMThread
- ConcurrentGCThread
- WorkerThread
- GangWorker
- GCTaskThread
- JavaThread
- CompilerThread
- ServiceThread
- CodeCacheSweeperThread
- WatcherThread
- NamedThread
- Thread
现在小护士只需要关注JavaThread的构造函数的细节。
4. https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/hotspot/share/runtime/thread.cpp
JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :
Thread() {
initialize();
_jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;
set_entry_point(entry_point);
// Create the native thread itself.
// %note runtime_23
os::ThreadType thr_type = os::java_thread;
thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread : os::java_thread;
os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
}JavaThread的构造函数的参数entry_point是一个函数指针，指向jvm.cpp中的静态函数thread_entry()。这个函数根据注释的描述，大概意思就是防止线程对象在被其他线程操作时退出。
static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
... ignore function detail
}第二个参数不用多说，就是栈空间大小。在构造函数中，有两行关键的代码：
initialize(); // 初始化
os::create_thread(this, thr_type, stack_sz); // 创建`osThread`initialize()函数主要是做了很多赋值操作，置空置零，最后调用了操作系统级别的初始化函数pd_initialize()，这个方法会根据操作系统平台编译不同版本。pd的意思就是platform dependent。
os::create_thread()函数也是跟操作系统平台直接相关，顾名思义就是创建操作系统级别的线程。
小护士决定以linux平台为例继续往下跟踪create_thread()。
5. https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/hotspot/os/linux/os_linux.cpp
bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t req_stack_size) {
...
OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
...
osthread->set_thread_type(thr_type);
osthread->set_state(ALLOCATED);
thread->set_osthread(osthread);
...
size_t stack_size = os::Posix::get_initial_stack_size(thr_type, req_stack_size);
...
int status = pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
...
{
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) thread_native_entry, thread);
...
}
...
return true;
}create_thread()函数逻辑其实并不复杂，关键代码行就是int ret = pthread_create(...)，这是一个POSIX编程接口。有个细节需要注意的是，JavaThread对象引用了OSThread对象，在OSThread对象创建之前，要先确认栈空间大小stack_size。
POSIX是操作系统标准API，所有上层应用想要与操作系统打交道都要通过POSIX提供的编程接口实现内存管理、进程管理、驱动程序调用等等。
还需要往下了解pthread_create()吗？不需要了，再往下就进入kernel层面了，小护士暂时没有能力阅读Linux内核代码。
4. Thread 小结
- Java代码的
new Thread()不会真正创建操作系统级别的线程。只会创建一个空壳。 - JVM的
JavaThread线程类型对应Java代码的Thread，但还有其他JVM线程类型。 - 只有Java代码的
Thread对象调用了start()方法才会真正创建JavaThread对象进而创建OSThread对象。 OSThread对象是操作系统级别的线程对象，根据不同操作系统平台有不同的实现。- 在Linux平台上，创建
OSThread对象之前先确认线程需要的栈空间大小。 - POSIX的
pthread_create()函数才是创建线程的最终一步。
Thread的源码阅读就这么完结了么，No，还有很多细节需要注意，受限于时间和篇幅，这里就不展开讲start()的技术细节，例如栈空间是如何划分的（red、yellow、reserved、shadow），Linux平台实现与Windows平台实现的差异；也不展开讲其他方法，譬如stop()、interrupt()。如果后面还有时间的话，小护士会继续讲解这些细节。今天就到这里，下篇是讲ThreadLocal源码阅读，别走开哦。